Evaluating novel shot peening methods on the surface functionalization potential over additively manufactured AlSi10Mg

Driven by advancements in the past two decades, Additive manufacturing (AM) has evolved into a disruptive production technology capable of delivering geometrically complex and lightweight components across industries. Among the available AM techniques, Laser Bed Powder Fusion (LPBF) stands out for its precision and material efficiency particularly with aluminum alloys like AlSi10Mg. Despite its advantages, LPBF suffers from challenges related to surface integrity including elevated surface roughness, entrapped porosity, and high residual stresses. These surface deficiencies limit the structural reliability, fatigue resistance, wettability, and visual appeal of LPBF parts, key metrics in sectors such as aerospace, automotive, biomedical, and consumer products. This thesis examines the application of novel shot peening treatments as post-processing methods to address issues related to surface morphology and enhance the overall performance and surface quality of LPBF AlSi10Mg components. Three distinct shot peening strategies are evaluated: Ultrasonic Shot Peening (USP), Gradient Severe Shot Peening (GSSP), and Conventional Shot Peening (CSP). These treatments are applied to LPBF specimens under controlled conditions, followed by surface characterization involving roughness measurement, porosity analysis, and contact angle evaluation to assess changes in wettability. The study focuses on understanding the influence of peening technologies on the resulting surface features. The novelty of this work lies in the application of advanced shot peening methods tailored explicitly for AM-produced parts and introducing these surface treatments as a decision in the design stage for AM products rather than a downstream correction. Through experimental data and engineering interpretation, this thesis establishes correlations between peening strategies and functional surface outcomes. It further identifies potential strategies for designers and engineers to proactively incorporate shot peening into the early stages of AM product development. Ultimately, this research contributes to the body of knowledge in surface engineering and AM by exploring novel post-processing methods on AM-produced components. The findings not only support the technical feasibility of integrating shot peening with LPBF workflows but also provide preliminary insights into process optimization and specific method selection for industrial use.

Guidata dai progressi compiuti negli ultimi due decenni, la produzione additiva (AM) si è evoluta in una tecnologia di produzione rivoluzionaria in grado di fornire componenti geometricamente complessi e leggeri in tutti i settori industriali. Tra le tecniche di produzione additiva disponibili, la fusione laser a letto di polvere (LPBF) si distingue per la sua precisione ed efficienza dei materiali, in particolare con leghe di alluminio come AlSi10Mg. Nonostante i suoi vantaggi, la LPBF presenta alcune difficoltà legate all'integrità della superficie, tra cui un'elevata rugosità superficiale, porosità intrappolata e elevate sollecitazioni residue. Questi difetti superficiali limitano l'affidabilità strutturale, la resistenza alla fatica, la bagnabilità e l'aspetto estetico dei componenti LPBF, parametri fondamentali in settori quali quello aerospaziale, automobilistico, biomedico e dei prodotti di consumo. Questa tesi studia l'applicazione di nuovi trattamenti di pallinatura come metodi di post-elaborazione per affrontare questi problemi e migliorare la qualità superficiale e le prestazioni dei componenti LPBF AlSi10Mg. Sono state valutate tre diverse strategie di pallinatura: pallinatura a ultrasuoni (USP), pallinatura graduale intensiva (GSSP) e pallinatura convenzionale (CSP). Questi trattamenti vengono applicati a campioni LPBF in condizioni controllate, seguiti da una caratterizzazione della superficie che comprende la misurazione della rugosità, l'analisi della porosità e la valutazione dell'angolo di contatto per valutare i cambiamenti nella bagnabilità. Lo studio si concentra sulla comprensione dell'influenza delle tecnologie di pallinatura sulle caratteristiche superficiali risultanti. La novità di questo lavoro risiede nell'applicazione di metodi avanzati di pallinatura specificamente adattati alle parti prodotte con AM e nell'introduzione di questi trattamenti superficiali come decisione nella fase di progettazione dei prodotti AM piuttosto che come correzione a valle. Attraverso dati sperimentali e interpretazioni ingegneristiche, questa tesi stabilisce correlazioni tra le strategie di pallinatura e i risultati funzionali della superficie. Identifica inoltre potenziali strategie per progettisti e ingegneri per incorporare in modo proattivo la pallinatura nelle prime fasi dello sviluppo dei prodotti AM. In definitiva, questa ricerca contribuisce al corpus di conoscenze nell'ingegneria delle superfici e nella produzione additiva, esplorando l'impatto di nuovi metodi di post-elaborazione sui componenti prodotti con la produzione additiva. I risultati non solo supportano la fattibilità tecnica dell'integrazione della pallinatura con i flussi di lavoro LPBF, ma offrono anche approfondimenti preliminari sull'ottimizzazione dei processi e sulla selezione di metodi specifici per l'uso industriale.